CN106184429A - 基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置 - Google Patents

基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置 Download PDF

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董庆利
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Abstract

本发明公开了一种基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置。它包括减阻罩体、空气射流通道和射流导出孔，货厢尾部设置有减阻罩体，货厢侧壁设置有多个空气射流通道，减阻罩体两侧设置有射流导出孔，且货厢前端迎风面两侧均设置有空气射流通道入口，空气射流通道入口通过空气射流通道与射流导出孔联通；所述的减阻罩体为空腔式半圆柱形整流减阻罩体。本发明为了降低厢式货车空气阻力、降低油耗、提高经济性，解决现有的厢式货车尾部无减阻装置或者已有减阻装置减阻效果不明显、对货车经济性贡献不大的问题。

Description

基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置
技术领域
本发明涉及流动控制领域，具体涉及基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置。
背景技术
公路运输其本身具有快捷直达的优点，自从20世纪90年代以来，我国的公路运输业得到了快速发展。随着汽车工业水平的大幅度提高、公路基础设施的不断完善和发展，我国目前的公路运输货运量在综合运输体系中占到了7成以上，从而导致了汽车货运耗油量在我国耗油总量当中占有很大的比例，因此载货汽车的减阻节能问题日益突出，进一步有效降低货车在行驶过程中的空气阻力从而降低单位里程油耗成为当今的一项重要课题。
对于大、中型载货厢式货车(下文统称为厢式货车)，其封闭的结构外形与其它类敞开式货车相比有着更小的气动阻力系数，但由于其仍具有较大的迎风面积，在较高速行驶时的气动阻力依旧占着很大比重。研究表明：在速度达到70km/h时，部分车型的气动阻力就已超过了总阻力的50％；厢式货车的后部阻力占主要部分；而气动阻力系数降低30％，厢式货车可降低油耗12％-13％。
理论分析与工程实践表明，厢式货车行驶中主要阻力来源是驾驶室与车厢间夹缝的负压区、气流冲击引起的阻力和货厢后部尾流涡结构能量耗散引起的阻力。目前，在工程中对厢式货车进行减阻的措施主要有：采用在驾驶室顶部安装导流罩来减小车厢前缘分离区；在货车前部安装扰流器来减缓气流冲击阻力；在货厢尾部安装导流片、挡板、栅栏等来破坏尾涡结构，延迟分离从而达到减阻的效果。但是，对于货厢尾部的大范围分离流动来说，导流片、挡板、栅栏的控制效果仍然不够理想，仍然需要寻找一种更加有效的可以大幅降低厢体后部阻力的装置和方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，为了降低厢式货车空气阻力、降低油耗、提高经济性，解决现有的厢式货车尾部无减阻装置或者已有减阻装置减阻效果不明显、对货车经济性贡献不大的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，包括减阻罩体、空气射流通道和射流导出孔，货厢尾部设置有减阻罩体，货厢侧壁设置有多个空气射流通道，减阻罩体两侧设置有射流导出孔，且货厢前端迎风面两侧均设置有空气射流通道入口，空气射流通道入口通过空气射流通道与射流导出孔联通；减阻罩体的高度与货厢的高度相同，减阻罩体的宽度(即半圆柱体的直径)占货厢宽度的95％，射流导出孔的宽度占货厢宽度的1.2％。
优选地，所述的减阻罩体为空腔式半圆柱形整流减阻罩体。
优选地，所述的空气射流通道入口的平面垂直于汽车行驶方向。
优选地，所述的射流导出孔设置在减阻罩体的半圆柱形Coanda曲面的切线方向。
优选地，所述的空气射流通道与外部大气联通。
优选地，所述空气射流通道为一个连续的通道。
优选地，所述空气射流通道由多个离散的通道构成。
本发明具有以下有益效果：1、通过加装后部整流罩体的流线型减阻效果显著；2、Coanda射流减阻在流线型减阻的基础上可以进一步增强减阻效果；3、流线型减阻和射流减阻在显著降低空气阻力的同时不需要消耗额外能量，因此有效降低了厢式货车的单位里程油耗；4、两侧对称双射流的结构设计也增加了货车的侧向稳定性；5、尾部整流罩体的空腔结构进一步增大了货厢的载货量，提高货车的空间利用率，具有非常良好的应用前景。
附图说明
图1为厢式货车原始模型图；
图2为加装尾部Coanda效应整流罩体后的厢式货车模型图；
图3为货车厢体后部减阻装置概览图；
图4为应用本发明装置后的厢式货车侧视图；
图5为应用本发明装置后的厢式货车后视图；
图6为应用本发明装置后的厢式货车俯视图；
图7为厢式货车在A-A位置的截面图；
图8为货车A-A截面的二维数值模拟概念图；
图9为货车原始结构外型下的二维流场图；
图10为流线型减阻状态下的二维流场图(此时空气射流关闭)；
图11为Coanda射流减阻状态下的二维流场图(此时有空气射流)。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，包括减阻罩体1、空气射流通道2和射流导出孔3，货厢4尾部设置有减阻罩体1，货厢4侧壁设置有多个空气射流通道2，减阻罩体1两侧设置有射流导出孔3，且货厢4前端迎风面两侧均设置有空气射流通道入口，空气射流通道入口通过空气射流通道2与射流导出孔3联通，减阻罩体1的高度与货厢4的高度相同，减阻罩体1的宽度(即半圆柱体的直径)占货厢4宽度的95％，射流导出孔3的宽度占货厢4宽度的1.2％。
所述的减阻罩体1为空腔式半圆柱形整流减阻罩体。
所述的空气射流通道入口的平面垂直于汽车行驶方向。
所述的射流导出孔3设置在减阻罩体1的半圆柱形Coanda曲面的切线方向。
所述的空气射流通道2与外部大气联通。
所述空气射流通道2为一个连续的通道。
所述空气射流通道2由多个离散的通道构成。
本具体实施方式的图1给出了厢式货车的原始模型图。本发明提出的加装尾部整流罩体的厢式货车模型图如图2所示。减阻装置的总览图、侧视图、后视图、俯视图分别如图3-图6所示。本发明所提出的货厢尾部Coanda减阻装置主要分为两个部分：后缘的半圆柱形整流罩体和分布于货厢两侧的空气射流通道。厢体尾部整流罩体的引入为货厢提供了更好的流线型，根据空气动力学的基本原理，其可以在一定程度上降低后部空气阻力，本发明称之为流线型减阻。此外，本发明所引入的空气射流通道入口位于厢体前端迎风面两侧(为了方便数值模拟，本发明并未给出入口处的模拟)，入口平面垂直于货车行驶方向，射流喷口位于整流罩体两侧切线方向，因此射流管道联通了喷口和汽车前方空气来流，使进入通道入口的气流具有与前方来流一样的总压(即流体微元速度等熵地静止到零时对应的压强，即流体做有用功的能力)。当货车行驶时，一方面，由于尾部整流罩体的安装，货厢尾流区域初步得到控制，并达到了一定的流线型减阻的效果；另一方面，气流对货厢迎风面的冲击作用使空气进入射流通道入口，由于通道较窄，内部气压较高，射流在喷口喷出的速度较大，且射流从喷口喷出后，将附着厢体尾部Coanda曲面(即整流罩体表面)流动，并带动周围流体跟随着射流流动，抑制了厢体整流罩体后方的流动分离以及尾流漩涡脱落，从而减小了尾流区域的负压区，大大减小了汽车厢体的阻力系数，达到了流动控制减阻的效果。本发明称之为Coanda射流减阻。可见，Coanda射流减阻在流线型减阻的基础上更进一步地提高了减阻效果。
本发明的减阻装置和方法具有以下特点：一、通过加装后部整流罩体的流线型减阻效果显著；二、Coanda射流减阻在流线型减阻的基础上可以进一步增强减阻效果；三、流线型减阻和射流减阻在显著降低空气阻力的同时不需要消耗额外能量，因此有效降低了厢式货车的单位里程油耗；四、两侧对称双射流的结构设计也增加了货车的侧向稳定性；五、尾部整流罩体的空腔结构进一步增大了货厢的载货量，提高货车的空间利用率，具有非常良好的应用前景。
为了简化问题，方便数值模拟，选取图4中的截面A-A进行二维的数值模拟分析，A-A截面如图7所示。图8是A-A截面的数值模拟外形概念图。对货车进行三种不同状态的数值模拟，即a：原始外型状态(即不加整流罩体，无空气射流通道)；b：流线型减阻状态(即有整流罩体，但关闭空气射流通道)；c：Coanda射流减阻状态(既有整流罩体，又打开空气射流通道)。
数值模拟的结果表明，在货车直线前行时，a状态下的二维货车阻力系数为Cd＝0.1233；增加整流罩体后的b状态下二维货车阻力系数降低至Cd＝0.0906；在b状态的基础上打开空气射流通道后c状态下的二维货车阻力系数进一步降低为Cd＝0.0207.
图9-11分别为货车直线行驶时在三种不同计算状态下的流场图，各图中压力云图反映了此时货车周围的压力分布，而厢体后缘尾涡的大小则间接反映了此时货车阻力的大小及其稳定性的强弱。
由图9可以看出，原始外形的货车后方产生了较大的尾涡，且由于来流对前缘驾驶室的冲击作用，在前缘产生了较大的正压区。由图10可以看出，在厢体尾部安装Coanda减阻罩体后，由于整体流线型更好，脱体涡强度略有减小，从而使得阻力系数从0.1233减小到0.0906，阻力减小了大约26％。由图11可以看出，开启空气射流通道后，由于Coanda射流的作用，车体后部绕流形式发生改变，尾流分离区域明显进一步变小，即厢体尾部负压区减小，因此阻力系数大幅度减小到了0.0207，减阻效率达到83％。
由此可以看出，空气射流的引入起到了非常明显的减阻效果。本发明提出的流线型减阻和Coanda射流减阻两种方法的组合使得厢式货车的减阻效率得到了很大程度的提高。
更加值得注意的是，本发明中的空气射流来自于汽车行驶中的前方来流，且射流的总压与汽车外部流动的总压相同，因此本发明的射流产生不消耗额外能量，经济性优异；空腔设计的半圆柱型整流罩体也为货车提供了额外的载货空间，提高了空间利用率。
实施例1：本实施例是一种运用尾部整流罩体和空气射流进行厢式货车减阻的装置及方法。
本发明实施例采用的大型厢式货车车厢长6.2m、宽2.2m、高2.1m，且驾驶室顶部安装有导流罩，如图1所示。本发明的减阻装置分为两部分：即货厢尾部的整流罩体和货厢两侧的空气射流通道，安装的后缘整流罩体为一底面半径为1.045m、高为2.1m的空腔半圆柱体；圆柱两侧的空气射流通道入口(为了方便数值模拟，附图中并未画出)设在货车迎风面两侧处，入口平面垂直于货车行驶方向，喷口处则设在Coanda曲面的切线方向，射流通道与外界大气联通，且槽宽0.03m、长2.1m。数值模拟的状态为：货车水平直行速度Ma＝0.085(即时速约为106.2km/h)、气温为26℃。
安装减阻装置后的货车模型如图2所示。图3为概览图，图4为侧视图，A-A表示截面位置，图5为货车的后视图，图6为货车的俯视图。取A-A截面图得到厢体货车在该位置处的流线型减阻和Coanda射流减阻原理图，如图7所示。
为了方便数值模拟，本发明将图7进行改型优化处理，通过设置通道内部总压比NPR＝1来模拟Coanda射流减阻的情况，如图8所示。
当货车行驶时，后缘具有Coanda曲面设计的整流罩体发挥了流线型减阻的作用，初步提高了减阻效率，如图10所示；当货车行驶到一定速度后，Coanda射流的通道打开，由于货车前缘气流的冲击作用，气流进入位于迎风面的空气射流通道，由于通道较窄，内部气压较高，高气压将气流“压出”后缘喷口，形成高速射流，并附着Coanda曲面流动，直到附体流动一段距离以后才与曲面分离，显著减小了尾部分离区域，达到流动控制减阻的目的。
图9为无尾部减阻装置的流场图，阻力系数为0.1233。图10单纯应用流线型减阻方法对后缘流动达到初步控制效果，降低阻力26％。图11为安装整流罩体并打开空气射流通道后的二维流场图，可以看出，Coanda射流改变了货厢的尾部流动，减小了后缘负压区，因此更进一步减小了压差阻力，减阻效率达到83％。因此，数值模拟的结果表明了本发明对于厢式货车的减阻具有非常好的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，其特征在于，包括减阻罩体(1)、空气射流通道(2)和射流导出孔(3)，货厢(4)尾部设置有减阻罩体(1)，货厢(4)侧壁设置有多个空气射流通道(2)，减阻罩体(1)两侧设置有射流导出孔(3)，且货厢(4)前端迎风面两侧均设置有空气射流通道入口，空气射流通道入口通过空气射流通道(2)与射流导出孔(3)联通；减阻罩体(1)的高度与货厢(4)的高度相同，减阻罩体(1)的宽度占货厢(4)宽度的95％，射流导出孔(3)的宽度占货厢(4)宽度的1.2％。
2.根据权利要求1所述的基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，其特征在于，所述的减阻罩体(1)为空腔式半圆柱形整流减阻罩体。
3.根据权利要求1所述的基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，其特征在于，所述的空气射流通道入口的平面垂直于汽车行驶方向。
4.根据权利要求1所述的基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，其特征在于，所述的射流导出孔(3)设置在减阻罩体(1)的半圆柱形Coanda曲面的切线方向。
5.根据权利要求1所述的基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，所述的空气射流通道(2)与外部大气联通。
6.根据权利要求1所述的基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，其特征在于，所述空气射流通道(2)为一个连续的通道。
7.根据权利要求1所述的基于整流罩和Coanda射流效应的汽车尾部减阻装置，其特征在于，所述空气射流通道(2)由多个离散的通道构成。
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